Вулканы или астероид? Искусственный интеллект положил конец спорам по поводу вымирания динозавров

Свободомыслящие компьютеры перепроектировали летопись окаменелостей, чтобы определить причины катастрофы.

Чтобы решить давнюю дискуссию о том, что привело к исчезновению динозавров и многих других существ — удар массивного астероида или вулканическая активность. Классифицировать 66 миллионов лет назад команда Дартмутского колледжа применила инновационный подход, не допуская ученых к дебатам и предоставив решать компьютерам.

Исследователи сообщают в журнале Науки Новый метод моделирования, основанный на взаимосвязанных процессорах, которые могут работать с наборами геологических и климатических данных без вмешательства человека. Они поручили примерно 130 процессорам проанализировать летопись окаменелостей в обратном направлении, чтобы определить события и условия, которые привели к этому. Меловой период– Палеогеновое (K–Pg) вымирание проложило путь к появлению млекопитающих, в том числе приматов, давших начало первым людям.

Новый взгляд на исторические события

«Частью нашей мотивации было оценить этот вопрос без заранее заданных гипотез или предвзятости», — сказал Алекс Кокс, первый автор исследования и аспирант факультета геонаук Дартмутского университета. «Большинство моделей движутся вперед. Мы адаптировали модель углеродного цикла для работы в другом направлении, используя принуждение для поиска причины с помощью статистики и предоставляя ей лишь минимальную предварительную информацию, поскольку она работает для достижения определенного результата».

«В конце концов, не имеет значения, что мы думаем или что мы думали раньше — модель показывает нам, как мы пришли к тому, что видим в геологических данных», — сказал он.

Модель проанализировала более 300 000 возможных сценариев выбросов углекислого газа, производства диоксида серы и биологической продуктивности за миллион лет до и после вымирания K-Pg. Через своего рода Машинное обучение Известная как цепь Маркова Монте-Карло — мало чем отличающаяся от того, как смартфон предсказывает, что вы наберете дальше — процессоры работали вместе независимо, чтобы сравнивать, пересматривать и пересчитывать свои выводы, пока не пришли к сценарию, который соответствовал результату, сохраненному в Окаменелости.

Выяснение причин вымирания

Геохимические и органические останки в летописи окаменелостей ясно показывают катастрофические условия, которые произошли во время вымирания K-Pg, названного в честь геологических периодов по обе стороны от катастрофы, продолжавшейся тысячи лет. Животные и растения по всему миру пострадали от массового вымирания, поскольку пищевые сети разрушаются, а нестабильная атмосфера, насыщенная загрязняющей солнце серой, переносимыми по воздуху металлами и удерживающим тепло углекислым газом, резко меняется от замерзания до палящего тепла.

Хотя эффект ясен, причина исчезновения не устранена. Ранние теории, объясняющие это событие извержениями вулканов, были омрачены открытием ударного кратера в Мексике, известного как Чиксулуб, который был создан астероидом шириной в несколько миль, который, как теперь полагают, несет основную ответственность за событие вымирания. Однако теории начинают сходиться, поскольку ископаемые свидетельства предполагают один-два удара, не похожих ни на что в истории Земли: астероид, возможно, столкнулся с планетой, уже страдающей от массивных, чрезвычайно сильных извержений вулканов в Деканских ловушках на западе Индии.

Но ученые до сих пор не знают — и не согласны — насколько каждое событие способствовало массовому вымиранию. Итак, Кокс и его советник Бренхен Келлер, доцент кафедры геонаук в Дартмуте и соавтор исследования, решили «посмотреть, что вы получите, если позволите коду решать».

Результаты моделирования и вулканическое воздействие

Их модель предполагает, что одного только притока изменяющих климат газов из Деканских ловушек может быть достаточно, чтобы спровоцировать глобальное вымирание. Ловушки взорвались примерно за 300 000 лет до астероида Чиксулуб. По оценкам, за время извержений, продолжавшихся примерно 1 миллион лет, Деканские ловушки выбросили в атмосферу до 10,4 триллиона тонн углекислого газа и 9,3 триллиона тонн серы.

«Исторически мы знаем, что вулканы могут вызывать массовые вымирания, но это первая независимая оценка летучих выбросов, сделанная на основе доказательств их воздействия на окружающую среду», — сказал Келлер, опубликовавший в прошлом году исследование, связывающее четыре из пяти массовых вымираний на Земле. Вулканы.

«Наша модель обрабатывала данные независимо и без человеческой предвзятости, чтобы определить, сколько углекислого газа и диоксида серы потребуется для создания тех возмущений климата и углеродного цикла, которые мы видим в геологических записях. «Мы видим много данных, «, — сказал Келлер, который много работал над изучением связи между вулканизмом Декана и вымиранием K-Pg. — Эти количества оказались соответствующими тому, что мы ожидали увидеть в выбросах из ловушек Декана».

Воздействие астероида и современный контекст

Модель выявила резкое снижение накопления органического углерода в глубоком океане примерно во время удара Чиксулуб, что, вероятно, было результатом того, что астероид вызвал гибель многих видов животных и растений. Запись содержит следы падения температуры примерно в то же время, которое могло быть вызвано большим количеством серы – недолговечного охлаждающего агента – которое массивный метеорит выбросил бы в воздух при ударе о богатую серой поверхность. в этом регионе планеты. .

Удар астероида также, вероятно, приведет к выбросу углекислого газа и серы. Однако модель показала, что в то время не было роста выбросов ни одного из газов, что позволяет предположить, что вклад астероида в вымирание не зависел от выбросов газа.

Заключение: Методологические инновации и будущие применения

В современном контексте, сказал Кокс, сжигание ископаемого топлива с 2000 по 2023 год привело к ежегодному выбросу в атмосферу около 16 миллиардов тонн углекислого газа. Это в 100 раз превышает самый высокий годовой уровень выбросов, ожидаемый учеными из ловушек Декана. По словам Кокса, хотя это и тревожно само по себе, потребуется несколько тысяч лет, чтобы нынешние выбросы углекислого газа сравнялись с общим объемом выбросов древних вулканов.

«Что еще более обнадеживает, так это то, что наши результаты физически правдоподобны в масштабе, что впечатляет, учитывая, что модель могла бы оказаться совершенно технически безудержной без более строгих предварительных ограничений», — сказал он.

По словам Кокса, подключение процессоров сократило время, необходимое модели для анализа этого огромного набора данных, с месяцев или лет до часов. Его метод и его метод обращения моделей других систем Земли, таких как климат или углеродный цикл, могут быть использованы для оценки геологических событий, результаты которых хорошо известны, но не факторы, которые привели к этим событиям.

«Такой тип параллельной инверсии никогда раньше не применялся в моделях науки о Земле. Наш метод можно масштабировать до тысяч процессоров, что дает нам гораздо более широкое пространство для исследования и полностью устойчиво к человеческой предвзятости», — сказал Кокс.

«До сих пор люди в нашей области были больше впечатлены новизной метода, чем нашим результатом», — сказал он со смехом. «Любая земная система, эффект которой, но не ее причина, которую мы знаем, готова опрокинуться. Чем лучше мы знаем последствия, тем лучше мы сможем описать факторы, которые их вызвали».

Ссылка: «Байесовская инверсия выбросов и производительность экспорта на границе конца мелового периода», Александр А. Кокс и К. Бринхен Келлер, 28 сентября 2023 г., Науки.
doi: 10.1126/science.adh3875